中厚板轧制过程中力能参数的预报模型_董洪波

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1、#试验研究# 中厚板轧制过程中力能参数的预报模型 董洪波 康永林 孙 浩 王丰祥 王春梅 ( 北京科技大学材料加工与控制工程系, 北京 100083) (济南钢铁集团总公司, 济南 250101) 摘 要 根据给定的热力耦合热边界条件的计算结果, 建立了轧制中厚板的二维和三维有限元模型并 模拟计算了( 2 300 2 630)mm(9 72)mm 板坯压下量 7 19 mm, 轧制速度 3116 4137 m/s, 轧制温度 929 1 033 e 的轧制力(26 600 50 000 kN) 和轧制力矩(780 3 200 kN#m) 。结果表明, 轧制力计算值和测量值的相 对偏差为 113

2、0% 9137%, 轧制力矩的相对偏差为 3169% 9 175%。二维模拟和三维模拟的结果基本一致。 关键词 有限元 热力耦合 中厚板 轧制力 轧制力矩 Prediction Model for Rolling Force Parameters during Rolling of Medium and Heavy Plate Dong Hongbo and KangYonglin ( Department of material Processing and Controlling, University of Science and Technology, Beijing 100083)

3、Sun Hao, Wang Fengxiang and Wang Chunmei (Jinan Iron and Steel Corporation, Jinan 250101) Abstract On the basis of calculation results on thermo 2mechanical coupled thermal boundary conditions, the two and three dimensional finite element model for medium and heavy plate rolling has been established

4、, and the rolling force ( 26 600 50 000 kN) and rollingmoment (780 3 200 kN#m) of ( 2 300 2 630) mm( 9 72) mm plate at rolling temperature 929 1 033 e , reduction of slab in pass 7 19 mm and rolling speed 3116 4137 m/s were simulated and calculated. The results show that the relative deviation of ro

5、lling force calculated value from measured value is 1130% 9137%, and the relative deviation of rollingmoment calculatedvalue from measured value is3169% 9175%. The simu2 lated results of two and three dimensional finite element model are same basically. Material Index Finite Element Method, Thermo 2

6、Mechanical Coupling, Medium and Heavy Plate, Rolling Force, Rolling Moment 济南钢铁公司中厚板厂 4 辊粗轧机是荷兰 20 世纪 40 年代的二手设备, 轧机刚度差, 轧制压 力较小, 无法实现粗轧阶段的大压下, 不能为精轧 机提供尺寸和性能俱佳的中间板坯。精轧机虽然 刚度较高, 但在生产中, 由于轧制规程设计不合 理, 曾出现过断辊等事故。利用有限元模拟的方 法, 计算轧制力轧制力矩, 校核力能参数是解决问 题的捷径。本文利用有限元软件 MSC. Autoforge 建立了相应的有限元模型, 精确地计算出了中厚 板轧制

7、过程中的轧制力和轧制力矩, 对优化工艺 参数有参考价值。 1 建立有限元模型 目前, 现场大量生产的钢种是碳素结构钢, 以 Q235B作为研究对象, 其化学成分 (%) 0116C2 012Si20153Mn201022P201015S。取 MSC. Autoforge 材料库中成分相当的 C15 1。 1. 1 热2机耦合的边界条件 沿着接触体边界的热传导可定义成 q= h1(Tboundary1- T)(1) q= h2(Tboundary1- Tboundary2)(2) h1, h22接触传热系数。 式(1)表明如果边界 1和边界 2 没有接触, 边 界1 与其所在环境中温度为 T的介

8、质进行对流 和辐射热交换。式(2) 表明如果边界 1 和边界 2 接触, 热交换就在这两个接触面之间进行。 1. 1. 1 轧件与环境之间的热交换 (1) 对流传热 由于轧件在辊道及轧机中运动, 而空气与轧 件之间的温差较大, 因此自然对流传热与强迫对 流传热共同存在, 这时的对流传热称为混合对流 传热 2。混合对流传热热流量不是强迫对流传热 #6# 第 25 卷第 2 期 特殊钢 Vol. 25. No. 2 2004 年 3 月 SPECIAL STEEL March 2004 热流量和自然对流传热热流量的简单叠加, 二者 相互干扰, 文献3, 4给出了如下的计算式: NuMn= NuFn

9、+ NuNn(3) 式中: NuM为混合对流时的 Nu 数, NuF、 NuN则为 按给定条件分别用强制对流及自然对流准则式计 算的结果, 两种流动方向相同时取正号, 相反时取 负号, n 值常取为 3。 当轧件温度为1 000 e , 环境温度20 e , 空气 物性值 Km= 5. 798 10- 2W/ (m#K), NuM为 475, 钢板特征尺寸 l= 3 m, 则混合对流传热系数为: hc= NuMKm l = 9. 17 W/ (m2#K) (2) 辐射传热 轧件温度 tW= 1 000 e , 周围环境温度 tf= 20 e , 表面发射率 Es为 019, 黑体辐射系数 cb

10、= 5. 67 W/ (m2#K4), 则辐射传热系数为: hr= 5r ( tW-tf) = Escb TW 100 4 - Tf 100 4 tW- tf = 136. 4 表面传热系数 h 为: h= hc+ hr= 9. 17+ 136. 4= 145. 57 W/ (m2#K) 1. 1. 2 轧件与轧辊之间的热交换 塑性加工过程中, 轧件与环境的最大热交换 量发生在轧件与轧辊的接触表面。近年来, 以实 验和有限元分析相结合的方法间接估算界面传热 系数的研究有了相当的进展。在加工过程模拟 时, 就可以根据工作状态选取较为合理的传热系 数5。在中厚板轧制时, 轧件与轧辊的接触传热 系数

11、取20 kW/ (m2#K) 6, 7。 1. 2 摩擦因数和几何模型 低碳钢在温度高于 700 e 轧制时, 摩擦因数 L 随着温度的增加而减小, 近似表述为8: L= 0. 55- 0. 000 24 t 式中 t2轧件温度/ e , 当轧件温度为 1 000 e 时, L 为0. 31。 轧制过程中, 轧件与轧辊存在着相对滑动, 相 对滑动速度约为轧制速度的 15% 20% 9 。 根据现场实体的几何尺寸, 分别建立三维和 二维的几何模型, 如图 1。 图 1 中厚板轧制有限元模型(a) 三维(b) 二维 Fig. 1 Finite element model for medium an

12、d heavy plate rolling: ( a) three dimension and (b) two dimension 2 结果分析与讨论 2. 1 温度场 轧制过程中, 变形功转化热能, 使轧件温度升 高。传导、 辐射、 对流, 特别是与低温轧辊的热传 递使板坯表层温度急剧降低, 轧后内部高温区热 量逐渐向表层传导, 使表层温度缓慢回升, 见图 2, 结果与实际过程相吻合。 2. 2 轧制力和轧制力矩 (1) 不同计算条件下的结果比较 分别用二维和三维模型计算了轧制过程的轧 制力和轧制力矩, 并进行了比较, 结果表明, 二维 与三维的模拟结果基本一致。而二维模拟在计算 时间上远远

13、小于三维模拟, 而且网格单元可以划 分得更小, 计算精度更高, 因此建议用二维有限元 方法计算轧制力和轧制力矩。 中厚板精轧机工作辊直径 930 1 030 mm, 最 大轧制速度6. 4 m/ s, 中间坯厚度 100 mm, 板坯宽 度2 500 mm。计算条件为: 许用轧制力68 600 kN, 许用轧制力矩2 800 kN#m, 温度1 000 e , 道次压 下率 20%和 30% , 轧制线速度 2 m/ s和 4 m/ s。 计算结果表明, 轧制速度分别取 2 m/ s 和 4 m/ s, 道次压下率 30%, 轧制力计算值(52 690 kN 和56 690 kN)小于许用轧制

14、力, 而轧制力矩( 3 177 kN#m和3 433 kN#m) 均大于许用值, 并且轧制速 度低, 轧制力和轧制力矩小。可见, 轧制力矩是制 约轧制能力的主要因素。轧制速度 2 m/ s 和 4 m/ s, 将道次压下率降低为 20% , 轧制力矩有了大 幅度地降低(分别为2 004 kN#m 和2 151 kN#m), 已远小于许用值。 (2) 计算值与现场实测值的比较 几种规格板材在精轧机轧制时的轧制力、 轧 制力矩的计算值和实测值, 以及轧制温度、 轧辊转 #7#第 2期董洪波等: 中厚板轧制过程中力能参数的预报模型 图 2 钢板轧制过程的温度场 Fig. 2 Temperature

15、field during rolling of plate 表 1 钢板精轧时的轧制参数以及轧制力和轧制力矩的计算值和现场实测值 Table 1 Rolling parameters of plate during finishing rolling as well as calculated values and measured values of rolling force and rolling moment 来料厚 度/ mm 辊缝/ mm 板坯宽 度/ mm 轧制温 度/ e 轧制速 度/ m#s- 1 轧辊直 径/mm 轧制力 实测值/ kN 计算值/ kN 相对偏差/ % 轧制

16、力矩 实测值/ kN#m 计算值/ kN #m 相对偏差/ % 72. 1959. 022 3051 0333.2999626 62129 1159. 371 0671 1719. 75 49. 7437. 512 3071 0133.5399634 02134 4631. 301 2741 2273. 69 31. 3212. 412 6291 0083.1698847 92950 1964. 733 0433 2045. 29 18. 916.432 6309903.4898838 95940 0312. 751 8421 9294. 27 12. 483.402 6309533.8898833 06834 1563. 291 1961 1484. 01 9.082.042 6309294.3798829 49727 5806. 508297805. 91 速、 板坯宽度等参数列于表 1。 通过计算值与实测值比较发现( 见表 1), 对 于不同规格的中间坯, 在不同轧制条件下。计算 值与实测值的相对